superconduttività

Un superconduttore da record grazie alla fisica quantistica

Uno studio coordinato dal Dipartimento di Fisica ha dimostrato che è possibile sfruttare le fluttuazioni quantistiche dei protoni per stabilizzare la struttura cristallina di composti di idrogeno superconduttori. I risultati, pubblicati su Nature, aprono nuove prospettive per il trasporto elettrico senza perdite di energia

A oggi tutti i materiali impiegati per il trasporto elettrico devono essere portati a bassissime temperature per funzionare senza dispendio di energia.

Raggiungere la superconduttività a temperatura ambiente è quindi uno dei più grandi sogni della fisica in quanto renderebbe possibile grandi applicazioni tecnologiche come la realizzazione di motori elettrici o generatori ultra efficienti, nonché la possibilità di creare forti campi magnetici senza raffreddamento.

Le recenti scoperte sulla superconduttività hanno visto l’idruro di lantanio (LaH10) togliere il podio all’idrogeno solforato: questo composto di idrogeno-lantanio è un superconduttore da record in quanto riesce a trasmettere energia elettrica senza resistenza a -23ºC (la temperatura media alla quale lavorano i congelatori domestici), superando l’idrogeno solforato che raggiunge questa fase a -73 ºC.

Ma in entrambi i composti la fase superconduttrice si forma ad altissime pressioni, un milione di volte superiori a quella atmosferica il che ha reso finora difficile l’utilizzo di questi materiali per concrete applicazioni. Infatti solo per pressioni oltre i 230 gigapascal i composti hanno una struttura altamente simmetrica con una gabbia di idrogeno che racchiude gli atomi di lantanio (10 atomi di idrogeno per ciascun atomo di lantanio). È stato calcolato che la struttura si deformi a pressioni più basse, rompendo il modello altamente simmetrico. Tuttavia esperimenti più recenti sono stati in grado di sintetizzare il composto superconduttore altamente simmetrico a pressioni molto più basse, da 130 a 220 gigapascal.

La spiegazione a questo fenomeno arriva dallo studio pubblicato sulla rivista Nature condotto da Jose A. Flores Livas e Francesco Mauri del Dipartimento di Fisica della Sapienza, in collaborazione con ricercatori provenienti da Spagna, Francia, Germania e Giappone, che ha modificato l’approccio all’osservazione delle variazioni della struttura del composto lantanio-idrogeno.

Invece di trattare i protoni come particelle classiche, ovvero come semplici corpuscoli nello spazio, il nuovo studio li considera come oggetti quantistici, descritti con una funzione d'onda delocalizzata che consente di rappresentare lo stato dell’intero sistema. 

Infatti come particelle classiche determinano molte distorsioni della struttura cristallina che abbassano l'energia del sistema con molti minimi locali, come oggetti quantistici, il potenziale energetico viene completamente rimodellato e presenta un solo un minimo che corrisponde alla struttura altamente simmetrica. In altre parole grazie alle fluttuazioni quantistiche i protoni visitano più minimi che perdono la loro individualità.

L’analisi basata sulle fluttuazioni quantistiche permette inoltre di stimare con grande precisione la temperatura critica di superconduzione misurata.

Infine il lavoro mostra che distorsioni le della struttura cristallina, che emergono quando gli effetti quantistici nei nuclei sono ignorati, sono dovute all'enorme interazione fra vibrazioni e elettroni, che è anche all’origine delle proprietà superconduttrive da record di questo composto. La rimozione di tali distorsioni a opera delle fluttuazioni protoniche apre nuove speranze per la scoperta di composti di idrogeno superconduttori ad alta temperatura a pressioni molto più basse di quelle attualmente previste in conti classici.

 

Riferimenti:

Quantum crystal structure in the 250-kelvin superconducting lanthanum hydride - Ion Errea, Francesco Belli, Lorenzo Monacelli, Antonio Sanna, Takashi Koretsune, Terumasa Tadano, Raffaello Bianco, Matteo Calandra, Ryotaro Arita, Francesco Mauri & José A. Flores-Livas - Nature (2020) DOI https://doi.org/10.1038/s41586-020-1955-z

 

Info

Jose A. Flores Livas
Dipartimento di Fisica
jose.flores@uniroma1.it

Francesco Mauri
Dipartimento di Fisica
francesco.mauri@uniroma1.it

 

Giovedì, 27 febbraio 2020

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